И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 91
Текст из файла (страница 91)
7б н. в. савельев, т. » 4йа ГЛ. ХХ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН С ВЕЩЕСТВОМ Согласно электромагнитной теории заряд, движущийся равномерно, не излучает электромагнитных волн (см. р 109). Однако, как показали Тамм и Франк, это справедливо лишь в том случае, если скорость о заряженной частицы не превышает фазовую скорость с/а электромагнитных волн в той среде, в которой движется частица. При условии, что п)с/и, даже двигаясь равномерно, частица излучает электромагнитные волны. В действительности частица теряет энергию на излучение, вследствие чего движется с от- рицательным ускорением.
Но это ускоре- / 1 ние является не причиной (как в случае ис:с/л), а следствием излучения. Если бы потеря энергии за счет излучения восполнялась каким-либо способом, то частица, движущаяся равномерно со скоростью о >с/л, все равно была бы источником излучения. Эффект Вавилова — Черенкова наблюр„ 147 1 дался экспериментально для электронов, протонов и мезонов при движении их в жидких и твердых средах.
В излучении Вавилова — Черенкова преобладают короткие Волны, поэтому оно имеет голубую окраску. Наиболее характерным свойством этого излучения является то, что оно испускается не по всем направлениям, а лишь вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы (рис. 147.1). Угол б между направлениями распространения излучения и вектором скорости частицы определяется соотношением соз 6 = — = —.
(147.1) Эффект Вавилова — Черенкова находит широкое применение в экспериментальной технике. В так называемых с ч е т ч и к а х Ч е р е н к о в а световая вспышка, порождаемая быстродвижущейся заряженной частицей, превращается а помощью фотоумножителя ь) в импульс тока. Для того чтобы заставить сработать такой счетчик, энергия частицы должна превысить пороговое значение, Определяемое условием: и=с!/и.
Поэтому черенковские счетчики позволяют не только регистрировать частицы, но и судить об их энергии. Удается даже определить угол 6 между направлением вспышки и скоростью частицы, что дает возможность вычислить по формуле (147.1) скорость (а следовательно, и энергию) частицы. ') Фотоумножнтелем незыемют электронный умножнтель, первый влектрод которого (фотокатод) способен испускать электроны под действием света. ГЛАВА ХХ! ОПТИКА ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД х й 148, Скорость света Скорость света в вакууме является одной из фундаментальных физических величин.
Установление конечности скорости света имело огромное принципиальное значение. Конечность скорости передачи сигналов, передачи взаимодействия, лежит в основе теории относительности. лп гну В связи с тем, что числовое значение скорости света очень велико, экспериментальное определение этой скорости представляет собой весьма сложную задачу. Первые определения скорости света были осуществлены на основании астрономических наблюдений. В 1676 г. датский астроном Ремер определил скорость света из наблюдений за затмениями спутников Юпитера. Он получил значение, равное 215 ООО км7с. Движение Земли по орбите приводит к тому, что видимое положение звезд на небесной сфере изменяется.
Это явление, называемое а б е рр а ц и е й с в е т а, использовал в 1727 г. английский астроном Бредли для определения ' ~ФпР скорости света. — ьп Предположим, что направление на наблюдае. -+- мую в телескоп звезду перпендикулярно к плоскости земной орбиты. Тогда угол между на- Рас. 14а.1. правлением на звезду и вектором скорости Земли ч будет в течение всего года равен и!2 (рис.
148.1). Направим ось телескопа точно на звезду. За время т, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от объектива до окуляра, телескоп сместится вместе с Землей в направлении, перпендикулярном к лучу света, на расстояние вт. В результате изображение звезды окажется не в центре окуляра. Для того чтобы изображение оказалось точно в центре окуляра, нужно повернуть ось телескопа в направлении вектора ч на угол а, тангенс которого определяется соотношением 1я а=ой (148Л) 1Ь» гл ххс оптика даижгщихся сиад (см. рис. 148.1). Точно так же падающие вертикально капли дождя пролс;ят сквозь длинную трубу, установленную на движущейся тележке, лишь в том случае, если наклонить ось трубы в направлении движения тележки.
Итак, видимое положение звезды оказывается смещенным относительно истинного на угол а. Вектор скорости Земли все время поворачивается в плоскости орбиты. Поэтому ось телескопа тоже поворачивается, описывая конус вокруг истинного направления на звезду. Соответственно видимое положение звезды на небесной сфере описывает окружность, угловой диаметр которой равен 2а. Если направление на звезду образует с плоскостью земной орбиты угол, отличный от прямого, видимое положение звезды описывает эллипс, Р Рис. !48.2.
большая ось которого имеет угловой размер 2а. Для звезды, лежащей в плоскости орбиты, эллипс вырождается в прямую. Из астрономических наблюдений Бредли нашел, что 2а=40,9'. Соответствующее значение с, полученное по формуле (148.1), оказалось равным 303000 км/с. В земных условиях скорость света была впервые измерена французским ученым Физо в 1849 г. Схема опыта дана на рис. 148.2. Свет от источника Я падал на полупрозрачное зеркало. Отразившийся от зеркала свет попадал на край быстро вращающегося зубчатого диска.
Всякий раз, когда против светового пучка оказывалась прорезь между зубцами, возникал световой импульс, кото. рый доходил до зеркала М и отражался обратно, Если в момент, когда свет возвращался к диску, против пучка оказывалась прорезь, отраженный импульс проходил частично через полупрозрачное зеркало и попадал в глаз наблюдателя. Если иа пути отраженного импульса оказывался зубец диска, наблюдатель света не видел. За время т=21/с, которое свет затрачивал на прохождение пути до зеркала М и обратно, диск успевал повернуться на угол Лр=вт=2/гз/с, где м — угловая скорость вращения диска.
Пусть число зубцов дйска равно й/. Тогда угол между серединами соседник зубцов равен а=2п/г/. Свет не возвращался в глаз наблюдателя при таких скоростях вращения диска, при которых за время т диск успевал повернуться на углы а/2, Зп/2, ..., (гл — 1/2]и и т. д. 1 ык опыт физо Следовательно, условие ы-го затемнения имеет вид Ь<р=(т — 1/2)гг или 2!ы /с=(т — 1/2)2л/И. По этой формуле, зная 1, й/ и угловую скорость е, при которой получается гл-е затемнение, можно определить с. В опыте Физо 1 было равно примерно 8,6 км. Для с получилось значение 313 000 км/с. В 1928 г. для измерения скорости света были использованы ячейки Керра (см, $140). С их помощью можно осуществить прерывание светового пучка о гораздо большей частотой ( 10' с-'), чем с помощью зубчатого диска.
Это позволило произвести измерения с прн 1 порядка нескольких метров. Майкельсон произвел несколько измерений скорости света методом вращающейся призмы. В опыте Майкельсона, осуществленном в 1932 г., свет распространялся в трубе длиной 1,6 км, из которой был откачан воздух. В настоящее время скорость света в вакууме принимается равной с=299 792,6~0,1 км/с.
(148. 2) Отметим, что во всех опытах, в которых осуществлялось прерывание света, определялась не фазовая, а групповая скорость световых волн. В воздухе эти две скорости практически совпадают. $149. Опыт Физо До сих пор мы предполагали, что источники, приемники и другие тела, относительно которых рассматривалось распространение света, неподвижны.
Естественно заинтересоваться вопросом, как скажется на распространении света движение источника световых вали. При этом возникает необходимость указать, относительно чего происходит движение. В $ 103 мы выяснили, что движение источника пли приемника звуковых волн относителыю среды, в которой эти волны распространяются, оказывает влияние на протекание акустических явлений (эффект Доплера) и, следовательно, может быть обнаружено. Первоначально волновая теория рассматривала свет как упругие волны, распространяющиеся в некой гипотетической среде, получившей название мирового эфира. После создания теории Максвелла на смену упругому эфиру пришел эфир — носитель электромагнитных волн и полей. Под этим эфиром подразумевалась особая среда, заполняющая, как и ее предшественник упругий эфир, все мировое пространство и пронизывающая все тела.
Раз эфир представлял собой некую среду, можно было рассчитывать обнаружить движение тел, например источников или приемников света, по отношению к этой среде. В частности, следовало ожидать суще- ГЛ. ХХ!. ОПТИКА ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД 470 ствования «эфирного ветра», обдувающего Землю при ее движении вокруг Солнца. В механике был установлен принцип относительности Галилея, согласно которому бее инерциальные системы отсчета являются в механическом отношении равноправными. Обнаружение эфира сделало бы возможным выделение (с помощью оптических явлений) особенной (связанной с эфиром), преимущественной, абсолютной системы отсчета. Тогда движение остальных систем можно было бы рассматривать по отношению к этой абсолютной системе. Таким образом, выяснение вопроса о взаимодействии мирового вфира с движущимися телами играло принципиальную роль, Ряс.
!49.1. Можно было допустить три возможности: 1) эфир совершенно не возмущается движущимися телами; 2) эфир увлекается движущимися телами частично, приобретая скорость, равную «хэ, где о— скорость тела относительно абсолютной системы отсчета, а — коэффициент увлечения, меньший единицы; 3) эфир полностью увлекается движущимися телами, например Землей, подобно тому, как тело при своем движении увлекает прилежащие к его поверхности слои газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
